裝配式鋼-竹組合結(jié)構(gòu)建筑施工工藝及工程應(yīng)用

1?鋼–竹組合結(jié)構(gòu)體系及工程概況鋼–竹組合構(gòu)件以冷彎薄壁型鋼、竹膠板為基本材料，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)而成。冷彎薄壁型鋼是在常溫狀態(tài)下，普通薄鋼板經(jīng)過(guò)彎曲形成各種斷面形狀的成品型鋼，利用截面形狀的改變提高鋼材的利用率，具有變形小、質(zhì)量輕和強(qiáng)度高的特點(diǎn)。竹膠板是以毛竹纖維、樹(shù)脂膠為原料，在高溫、高壓下，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜工序壓制而成，基本克服了原竹各向異性和材質(zhì)不均的缺點(diǎn)，具有強(qiáng)度大、韌性高、耐水性好的特點(diǎn)，并具有一定的防腐、防蟲(chóng)能力。鋼–竹組合構(gòu)件將兩種材料按各自力學(xué)特性組合而成，既充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，又互補(bǔ)。首先薄鋼板穩(wěn)定性差，易發(fā)生屈曲現(xiàn)象，而竹板剛好可以對(duì)薄壁型鋼進(jìn)行支撐加固，改善其性能，且鋼材易于加工，可根據(jù)構(gòu)件截面要求配合竹膠板加工成各種形狀。如今，梁、柱、樓板、墻體等多種鋼–竹組合構(gòu)件已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，并對(duì)這一系列構(gòu)件進(jìn)行了承載力、變形、滑移等多方面的研究。隨著研究的深入，鋼–竹組合構(gòu)件的計(jì)算理論也逐步得到發(fā)展和完善，特別是最近提出的界面滑移效應(yīng)，在很大程度上提高了構(gòu)件撓度變形計(jì)算的精度和可靠度。鋼–竹組合結(jié)構(gòu)建筑保溫節(jié)能效果好，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)是特殊的箱形截面形式，本身具有良好的自保溫性能。此外，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能要求，在組合結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)添加玻璃棉、聚氨酯泡沫等材料，使其表現(xiàn)出更好的保溫性能。鋼–竹組合建筑抗震性能優(yōu)越，梁、柱節(jié)點(diǎn)采用鋼板與螺栓連接屬于半剛性連接形式，充分考慮了彎矩與位移之間的非線性轉(zhuǎn)角位移關(guān)系，允許節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)變形，吸收地震作用的能量，從而提高結(jié)構(gòu)安全性?；阡摠C竹組合結(jié)構(gòu)體系的研究成果，建造單層框架結(jié)構(gòu)樣板房，建筑面積為24?㎡，進(jìn)深6.25?m、開(kāi)間3.9?m，建筑高度為3.0?m，地基采用天然地基，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土柱下條形基礎(chǔ)。本次工程的目的是在抗震意識(shí)薄弱的農(nóng)村地區(qū)推廣抗震性能優(yōu)越的鋼–竹組合結(jié)構(gòu)建筑，并推動(dòng)村鎮(zhèn)地區(qū)的綠色建筑發(fā)展。2?構(gòu)件構(gòu)造形式及規(guī)格2.1?鋼–竹組合梁、柱組合梁主要承受彎矩和剪力作用，其抗彎、抗剪性能與腹板、鋼板厚度密切相關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)C形鋼的厚度應(yīng)不小于1.5?mm，腹板竹膠板厚度應(yīng)不小于15?mm。此外腹板高度的提升對(duì)鋼–竹組合梁抗剪強(qiáng)度也有很大的提高，但腹板高度過(guò)大可能導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，使組合梁在受力過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)破壞。鋼–竹組合柱是重要的受力構(gòu)件，主要承受來(lái)自梁的豎向荷載，其承載力大小與材料強(qiáng)度和長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，材料強(qiáng)度越大、組合柱長(zhǎng)細(xì)比越小承載力越大，截面尺寸應(yīng)根據(jù)荷載大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼–竹組合工字形梁、柱是由兩塊C形冷彎薄壁型鋼和3塊竹膠板通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)而成。首先對(duì)鋼板、竹板進(jìn)行打磨，去除表面污漬以及鋼板鍍鋅層，然后用酒精擦拭，清除打磨后的殘留碎屑和油漬，最后用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行粘貼。粘貼過(guò)程分兩步進(jìn)行，第一步粘貼腹板處的竹膠板和冷彎薄壁型鋼，第二步粘貼翼緣處的竹膠板。為保證環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)牢固，需采用夾具夾緊重物并加壓養(yǎng)護(hù)2?d，然后再靜置養(yǎng)護(hù)7?d，具體制作流程如圖1所示。圖1?組合梁制作流程示意樣板房工程共7根梁和6根柱，構(gòu)件截面尺寸為腹板高度×翼緣寬度×腹板厚度，C形鋼按外延尺寸為腹板高度×翼緣寬度×鋼板厚度。梁、柱的規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。表1?組合梁、柱規(guī)格參數(shù)mm2.2?鋼–竹組合樓面板與屋面板鋼–竹組合樓面板和屋面板是由中間龍骨、上下兩側(cè)竹膠板以及周?chē)駰l封邊組成。龍骨為C形鋼和兩側(cè)竹條構(gòu)成，采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)。龍骨的排布方式要沿組合板搭接方向，使荷載能沿龍骨傳遞到梁上，此組合方式能極大地提高樓板抗豎向荷載的能力。組合樓板會(huì)直接承受豎向荷載，是重要的受力構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件截面尺寸和材料強(qiáng)度的選擇要充分考慮承載能力和適用性。而組合屋面板僅起到圍護(hù)作用，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮保溫、防潮和防水，尤其在板與板拼接處的縫隙處理。此外，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)屋面板要有一定坡度，以利于排水。本項(xiàng)目的樓面板和屋面板各由6塊相同規(guī)格的組合板拼裝完成。每塊組合板中覆面竹膠板厚度為10?mm，龍骨竹膠板厚度為20?mm，構(gòu)件尺寸為寬度×長(zhǎng)度×厚度，樓面板和屋面板規(guī)格見(jiàn)表2。表2?樓面板和屋面板規(guī)格mm2.3?鋼–竹組合墻體鋼–竹組合墻體的構(gòu)造形式和制作方法與樓板基本一致，區(qū)別在于龍骨的形式，在風(fēng)荷載、地震作用較小的地區(qū)，可不考慮墻體水平荷載，此時(shí)墻體只起到填充作用，龍骨可直接用C形鋼代替。如果考慮水平荷載作用則要按組合樓板的龍骨制作。鋼–竹組合墻體的內(nèi)部為空腔，本身具有良好的保溫性能，還可以在內(nèi)部添加保溫材料。研究表明，在厚120?mm的樓面板內(nèi)填充玻璃棉，其傳熱系數(shù)可以低于0.4?W/（㎡·k）。同時(shí)也可根據(jù)建筑使用要求在內(nèi)部添加防火、隔聲及防潮材料。墻體為矩形，長(zhǎng)和寬根據(jù)門(mén)窗洞口尺寸確定，截面厚度為120?mm。龍骨C形鋼厚度為1?mm，其主要為分割作用，不承受荷載，故兩側(cè)無(wú)竹膠板增強(qiáng)，覆面竹膠板厚度為10?mm，截面兩側(cè)用竹條封口。3?構(gòu)件連接與施工鋼–竹組合結(jié)構(gòu)為輕型結(jié)構(gòu)，構(gòu)件截面尺寸相對(duì)較小，其中冷彎薄壁型鋼厚度僅為2?mm，不宜采用焊接，竹膠板厚度為10~20?mm，不宜采用木結(jié)構(gòu)連接方法。且不同構(gòu)件之間連接不同，方式難以統(tǒng)一，因此連接問(wèn)題成為工程的難點(diǎn)與重點(diǎn)。3.1?鋼–竹組合梁、柱鋼–竹組合梁、柱之間有兩種連接方式（圖2）。（a）

（b）圖2?梁、柱連接方式示意（a）組合梁翼緣連接；（b）組合梁腹板連接連接件為2個(gè)短T形鋼，其翼緣與組合柱連接，腹板與組合梁上下翼緣連接。上、下T形鋼的腹板分別抗拉、抗壓抵抗彎矩作用，此連接方式抗彎承載力較大，但抗剪承載力不足，此外由于上部連接件的存在會(huì)降低梁的高度，適用于一層框架以及頂層樓層。連接件為一個(gè)T形鋼，其腹板與組合梁腹板連接，翼緣與組合柱連接。此形式T形鋼腹板負(fù)責(zé)抵抗剪力作用，抗剪承載力較高。T形鋼板上均設(shè)置有連接孔，用螺栓將不同構(gòu)件連接固定，連接件的厚度和螺栓個(gè)數(shù)由承載力及構(gòu)造要求確定。為防止螺栓對(duì)構(gòu)件中薄壁型鋼產(chǎn)生擠壓破壞，同時(shí)也為增大連接部位剛度，可在連接處型鋼位置放置鋼板，增強(qiáng)梁、柱的整體性以及節(jié)點(diǎn)承載力。安裝過(guò)程：在梁、柱上分別安裝T形鋼板連接件，同時(shí)在梁上安裝與墻相連接的角鋼；將梁、柱連接，形成1榀框架結(jié)構(gòu)，依此方法，完成3榀框架結(jié)構(gòu)組裝；將3榀梁、柱框架結(jié)構(gòu)用門(mén)式起重機(jī)安裝到位；采用臨時(shí)支撐使柱子保持垂直并固定后，安裝剩余4根梁。3.2?鋼–竹組合樓面板與屋面板本次項(xiàng)目為單層框架結(jié)構(gòu)，為測(cè)試鋼–竹組合樓板性能，將樓板設(shè)置在一層與鋼筋混凝土基礎(chǔ)相連接。鋼–竹組合樓板制作時(shí)，根據(jù)構(gòu)造要求，為方便連接在端部設(shè)置一定數(shù)量的連接件，連接件內(nèi)有連接孔。根據(jù)組合樓板連接孔的位置及尺寸，在鋼筋混凝土基礎(chǔ)中預(yù)埋多根連接桿，通過(guò)此桿將組合樓板與鋼筋混凝土基礎(chǔ)連接，如圖3（a）所示。鋼–竹組合屋面板與組合梁通過(guò)普通螺栓連接，在連接處標(biāo)定好打孔位置，用電鉆打孔，將螺栓穿過(guò)孔洞并擰緊，如圖3（b）所示。

（a）

（b）圖3?組合板連接方式示意（a）板與基礎(chǔ)安裝；（b）板與梁安裝連接位置表面應(yīng)鋪設(shè)薄鋼板，增加受力面積，防止螺栓擠壓造成應(yīng)力集中破壞腹面竹板。此外，為增強(qiáng)樓板之間的整體性和加強(qiáng)密封性，組合樓板設(shè)計(jì)時(shí)，上覆面板應(yīng)比下覆面板小0.5~1?cm，從而在對(duì)接時(shí)形成縫隙，在其中填充水泥砂漿或細(xì)石混凝土。安裝時(shí)先將組合樓板調(diào)整到指定位置，然后將鋼筋混凝土基礎(chǔ)上的預(yù)埋連接桿插入樓板上的連接件，由此完成6塊樓板定位安裝，最后在樓板縫隙間灌入混凝土完成組合樓板拼裝。樓面板則需要門(mén)式桁架起重機(jī)一次吊裝到位，標(biāo)定好安裝位置后，用鉆機(jī)打穿屋面板和梁翼緣，用螺栓固定。3.3?鋼–竹組合墻體鋼–竹組合墻體連接包括墻體與樓板連接以及墻體之間的連接，所用連接件分別為角鋼和扁鋼，兩者厚度均應(yīng)不小于10?mm。螺栓孔位置依據(jù)組合構(gòu)件確定，孔洞直徑不宜小于16?mm，且間距應(yīng)不大于300?mm，宜不小于100?mm。墻體與樓板連接分3步：（1）采用臨時(shí)支撐固定組合墻體，確保其四角垂直；（2）將不等邊角鋼的短邊沿內(nèi)墻面放置，長(zhǎng)邊沿樓板上、下表面放置；（3）用螺栓將樓板和墻板連接，形成鋼–竹組合墻板體系。為防止螺栓擠壓形成應(yīng)力集中，造成局部受壓破壞，螺栓應(yīng)設(shè)置在組合板的龍骨部位。墻體之間連接時(shí)，在兩塊需要拼接的組合墻體邊緣龍骨處分別打螺栓孔，打孔位置沿同一高度對(duì)稱分布。在墻體兩側(cè)放置尺寸規(guī)格相同的扁鋼，寬度一般大于高度。每塊扁鋼上應(yīng)設(shè)置兩個(gè)螺栓孔，螺桿穿過(guò)扁鋼和墻體，擰緊螺栓完成連接。沿一個(gè)墻體高度，扁鋼數(shù)量為1~3塊。工程實(shí)踐表明，墻體應(yīng)設(shè)置同一規(guī)格尺寸的扁鋼，以保證受力均勻，施工方便，外形美觀。安裝過(guò)程中螺栓作為工程中唯一的連接方式，需重視其在鋼–竹組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的重要性。螺栓間距和邊緣距離應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定，且不存在欠擰和超擰現(xiàn)象。4?結(jié)束語(yǔ)本次鋼–竹組合樣板房的成功建造將先前的研究理論運(yùn)用到實(shí)際工程，在材料選用和構(gòu)造形式的基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件進(jìn)行制作加工，按照房屋施工方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配。根據(jù)鋼材、竹材的材料性能以及構(gòu)件形式的特殊性分別設(shè)計(jì)出T形、L形、扁鋼連接件，采用鋪墊薄